納米技術(shù)課件.ppt

1、本科生專業(yè)課程,納米技術(shù),納米級（0.1nm100nm） 納米技術(shù)包括材料、設(shè)計(jì)、制造、測量和控制技術(shù)，涉及機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。 在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。,1納米=10-9m，大約等于十個(gè)氫原子并列一直線的長度。 形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般，這就是納米長度的概念。 人類頭發(fā)的直徑大約有6萬至8萬納米。,納米及納米技術(shù),納米技術(shù)：是20世紀(jì)80年代末期興起的新技術(shù)，其基本含意是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識和改造自然，通過直接操縱和安

2、排原子、分子而達(dá)到創(chuàng)新的目的。 主要是在納米尺度(0.1-100nm)上研究物質(zhì)(包括原子、分子的操縱)的特性和相互作用，以及如何利用這些特性和相互作用的具有多科交叉性質(zhì)的科學(xué)和技術(shù)。,納米科技研究內(nèi)容,納米科技的研究內(nèi)容：納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等學(xué)科。 納米技術(shù)涉及機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。,納米科技大廈,納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容,納米材料； 納米級傳感與控制技術(shù)； 納米級測量技術(shù)； 納米級加工技術(shù)； 納米機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造技術(shù) 。,在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、界

3、面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。人們發(fā)現(xiàn)，在0.l一100nm的空間尺度內(nèi)，物質(zhì)存在許多奇異的性質(zhì)。,納米材料的基本效應(yīng),小尺寸效應(yīng)：當(dāng)微粒分割到達(dá)一定程度時(shí)，其性質(zhì)將會(huì)發(fā)生根本性的變化。 量子效應(yīng)：電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象。 界面效應(yīng)：納米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)不同于大塊晶體材料，使納米材料的自由能增加，納米材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 表面效應(yīng)：納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。,特點(diǎn)：尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大 四個(gè)方面應(yīng)用: 納米電子學(xué) 納米材料科學(xué) 納米生物學(xué) 納米醫(yī)學(xué): 發(fā)明、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)納米級的新

4、藥物,特點(diǎn)及應(yīng)用,觀察和研究固體表面的微觀結(jié)構(gòu),改造微觀世界的手段 操縱原子不是夢,進(jìn)行納米級微加工表面刻蝕,進(jìn)行納米級微加工表面刻蝕,進(jìn)行納米級微加工表面刻蝕,1981年：科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡，原子、分子世界從此可見。 1990年：首屆國際納米科技會(huì)議在美國巴爾的摩舉辦，納米技術(shù)形式誕生。 1991年：碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鐵的10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。,國外納米技術(shù)進(jìn)展,國外納米技術(shù)進(jìn)展,移動(dòng)原子世界上最小的廣告,1990年，IBM公司的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們在金屬鎳表面用35個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM

5、”三個(gè)英文字母。 科學(xué)家在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)STM的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將原子在一個(gè)位置吸住，再搬運(yùn)到另一個(gè)地方放下。這意味著人類從此可以對原子進(jìn)行操縱！這在過去只能從科幻小說上看到的情節(jié)現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。,移動(dòng)原子世界上最小的廣告,用STM移動(dòng)分子組成的IBM字樣,納米組裝體系是以納米顆粒、納米絲或納米管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，如人造超原子體系、有序陣列等。,人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系,納米齒輪,納米軌道狀,C納米索線,納米多層管,C納米管和C60球,C納米管,多層C納米管,C腳手架,C60晶體管,國外納米技術(shù)進(jìn)展,實(shí)心的納米棒、納米線、量子線,材

6、料世界中的大力士-納米金屬塊體 金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會(huì)變得十分結(jié)實(shí)，強(qiáng)度比一般金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣富于彈性。,納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高的溫度下，汽車會(huì)跑得更快，飛機(jī)會(huì)飛得更高。 納米陶瓷剛?cè)岵?jì)！,納米陶瓷,納米存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)密度可達(dá)每平方厘米10萬億字節(jié)。,國外納米技術(shù)進(jìn)展,朗訊公司和牛津大學(xué): 納米鑷子 碳納米管“秤”，稱量一個(gè)病毒的重量 稱量單個(gè)原子重量的“納米秤”,機(jī)器人配備納米“大腦”,“納米科技戰(zhàn)士”,這種人手模型上的聚合體遇電會(huì)收縮彎曲，可裝備在作戰(zhàn)服上作為“輔助肌肉”增強(qiáng)士兵跳躍、搬運(yùn)的能力，同時(shí)也可用于戰(zhàn)

7、場急救。,未來的美軍作戰(zhàn)服可能就是這個(gè)樣子,納米科技的戰(zhàn)略地位,21世紀(jì)前20年，是發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，納米技術(shù)將成為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導(dǎo)技術(shù)。目前，納米技術(shù)已經(jīng)成為全世界非常關(guān)注的技術(shù)，納電子代替微電子，納加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術(shù)代替微米尺度的生物技術(shù)。只有認(rèn)識它、發(fā)展它，才有可能在未來經(jīng)濟(jì)競爭的格局中占據(jù)主動(dòng)。,計(jì)算機(jī)技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始，每57年都有一個(gè)大變化。一是每18個(gè)月單位面積存儲(chǔ)信息量要增加一倍，而且價(jià)格更便宜；二是計(jì)算機(jī)每隔57年尺寸要縮小10倍，價(jià)格便宜10倍，同時(shí)計(jì)算的速度提高10倍。 1998年，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)率先研制出量

8、子磁盤。一個(gè)量子磁盤只有100納米大小，完全是納米陣列，它的存儲(chǔ)密度是465G，一個(gè)量子磁盤相當(dāng)于我們現(xiàn)在的磁盤10萬個(gè)到100萬個(gè)。這樣一個(gè)器件，就要用納米材料，在納米尺度內(nèi)加工。,納米技術(shù)將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù),節(jié)約資源、節(jié)約能源、凈化環(huán)境是下一次工業(yè)革命的必然趨勢。在下一次工業(yè)革命中要想節(jié)約資源、能源，就要用納米尺度的材料做成器件，它的特點(diǎn)是工具小、節(jié)省材料、能耗低。納米技術(shù)在新的工業(yè)革命當(dāng)中將發(fā)揮重要的作用。,全球納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值已經(jīng)接近1000億美元，據(jù)估計(jì)，到2010年美國要培養(yǎng)80萬真正懂納米科技的人才，納米科技對美國國民生產(chǎn)總值（GDP）的貢獻(xiàn)要達(dá)到1萬億美元，并提供20

9、0萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。 科技革命帶來的必然結(jié)果是引起新的產(chǎn)業(yè)革命，而產(chǎn)業(yè)革命又必然帶來經(jīng)濟(jì)的巨大變化和迅速發(fā)展。隨著納米科技的產(chǎn)生和發(fā)展，一場新的工業(yè)革命即將發(fā)生。 納米科技在21世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)舞臺上將扮演舉足輕重的角色 。,“納米經(jīng)濟(jì)”“錢”途廣納米科技對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響,納米技術(shù)在美國,2010年: 80萬納米科技人才,GDP1萬億美元, 200萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì) 能源部的8項(xiàng)優(yōu)先研究中，6項(xiàng)有關(guān)納米材料 本世紀(jì)前10年幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，制定了“國家納米技術(shù)倡議”: 納米材料 納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué) 納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué),軍工: 隱形飛機(jī)表面涂料、艦船表面納米涂料 美國總統(tǒng)布什2003.12.3日簽署了21

10、世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案，批準(zhǔn)聯(lián)邦政府在從2005財(cái)政年度開始的4年中共投入約37億美元，用于促進(jìn)納米技術(shù)的研究開發(fā),納米技術(shù)在日本,國會(huì): 21世紀(jì)前20年的立國之本，日本政府總共投資了多于38億美元在研究上 著名大企業(yè): 納米實(shí)用化技術(shù)的計(jì)劃 三菱化工建立了(富勒烯)納米碳管生產(chǎn)線 自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣,納米技術(shù)在歐洲,第一個(gè)五年納米科技研究(99-03)已結(jié)束 第二個(gè)五年納米科技研究(04-09)正在進(jìn)行中，共計(jì)投入了幾十億歐元,納米技術(shù)與當(dāng)代中國,1993年，中科院操縱原子寫字 國家納米科技發(fā)展綱要2001-2010和國家納米科技發(fā)展指南框架,納米繪畫藝術(shù) 納米中國,中國科學(xué)

11、院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。 這幅地圖到底有多小呢？打個(gè)比方吧，如果把這幅圖放大到一張一米見方的中國地圖大小的尺寸，就相當(dāng)于把該幅地圖放大到中國遼闊的領(lǐng)土的面積。,納米繪畫藝術(shù) 納米中國,納米技術(shù)對競爭力的提升,能源領(lǐng)域：石油、煤等不可再生資源。 環(huán)保領(lǐng)域：解決水污染的問題、解決空氣污染的問題。 微電子：納米電子器件、納米線、納米傳感器。 信息領(lǐng)域：光纖、發(fā)光器件。,納米技術(shù)對競爭力的提升,功能性涂料、薄膜：防靜電涂料、特殊視覺涂料、紫外線吸收涂層、耐磨、防腐、耐高溫、耐沖刷涂層。 機(jī)械：納米結(jié)構(gòu)單元和納米機(jī)械 結(jié)構(gòu)陶瓷：增強(qiáng)、增韌

12、、助燒結(jié),納米技術(shù)對競爭力的提升,化學(xué)化工：催化劑、助催化劑、阻燃劑等。 塑料和橡膠：制品成型劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、抗老化劑。 辦公領(lǐng)域：復(fù)印機(jī)和激光打印機(jī)的墨粉，噴墨打印機(jī)墨水、高級墨水。,納米技術(shù)對競爭力的提升,納米藥物：磁性納米粒子藥物 衛(wèi)生保健品：防曬霜 紡織品：反射紅外線型化纖、殺菌滅菌除臭型化纖,提升國防科技,納米探測系統(tǒng) 納米材料提高武器打擊 納米材料提高防護(hù)能力 納米機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人 雷達(dá)隱身技術(shù) 納米衛(wèi)星,我國“十一五”納米科技發(fā)展重點(diǎn),納米電子、納米光電子材料與微納器件 納米加工與表征技術(shù) 納米生物醫(yī)用材料：納米傳感器、重大疾病早期診斷與治療用納米材料與器件。 納米環(huán)境與能源

13、材料：環(huán)境友好與資源節(jié)約型納米材料與技術(shù)，新型能源納米材料與器件。 提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的納米材料與技術(shù),納米級加工,納米級加工的含義 納米級加工的含意是達(dá)到納米級加工精度，包含：納米級尺寸精度，納米級幾何形狀精度、納米級表面質(zhì)量。,納米級加工的特點(diǎn),欲得到l nm的加工精度，加工的最小單位必然在亞納米級。由于原子間的距離為0.1-0.3nm，納米級加工實(shí)際上已到加工精度的極限。 納米級加工中試件表面的一個(gè)個(gè)原于或分子將成為直接的加工對象，因此納米級加工的物理實(shí)質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除。,納米級加工方法,納米級加工的主要方法：直接利用光子、電子、離子等基本能子的加工。 近年來納米

14、級加工有很大的突破，例如：用電子束光刻和離子刻蝕，己實(shí)現(xiàn)0.1m線寬的加工；掃描隧道顯微技術(shù)已實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子的去除、搬遷、增添和原子的重組。,微米與納米加工技術(shù)可達(dá)的水平,目前主要納米級加工方法： 納米級機(jī)械加工 電子束和離子束加工 掃描隧道顯微加工技術(shù)等,一、納米級機(jī)械加工 金剛石刀具超精密切削加工有色金屬和非金屬可能獲得Ra(0.02-0.002)m的鏡面，刀具仔細(xì)研磨時(shí)可切 l nm切削厚度的切屑。主要用平面、圓柱面和非球曲面的鏡面加工。,最近新發(fā)展的金屬結(jié)合劑砂輪的在線電解修整砂輪的ELID鏡面磨削技術(shù)可以加工出Ra(0.02-0.002) m的鏡面。,精密研磨拋光可以加工出Ra(0.0

15、1-0.002) m的鏡面。量塊、集成電路的硅基片等都是用精密研磨得到高質(zhì)量表面。,二、電子束、離子束和激光加工,可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理和表面改性等 電子束加工時(shí)，被加速的電子將其能量轉(zhuǎn)化成熱能以去除穿透層表面的原子，電子束可以聚焦成很小的束班(中0.1m)，照射敏感材料，用電子刻蝕可加工出0.1 m的線條寬度而在制造集成電路中實(shí)際應(yīng)用。,電子束和離子束加工,離子束加工時(shí)，因離子直徑為0.1n m數(shù)量級，故可以直接將工件表面原子碰撞出去達(dá)到加工的目的。用聚焦的離子束進(jìn)行刻蝕，可以得到精確的形狀和納米級的線條寬度。,電子束加工,電子束利用熱效應(yīng)加工 高速和高能量密度的電子束沖擊工

16、件表面，在幾分之一秒內(nèi)與原字相互作用。 電子與原子碰撞，使原子振動(dòng)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象 幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)化為熱能。 由于電子束能量密度高，作用時(shí)間短，所產(chǎn)生的熱量來不及傳導(dǎo)、擴(kuò)散就將工件被沖擊部分局部熔化、汽化、蒸發(fā)成霧狀粒子而飛散。,電子束加工,電子束加工特點(diǎn) 束徑小，能量密度高，能微細(xì)聚焦（0.01m），適合于加工深孔、細(xì)深孔、窄縫。 熱影響范圍小，適合于硬、脆、軟、韌金屬和非金屬材料、熱敏材料、半導(dǎo)體材料、易氧化材料等加工。原則上各種材料均能加工，特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。 加工速度快，效率高。非接觸加工，無工具損耗；無切削力，加工時(shí)間極短，控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 可用于

17、打孔、切槽、焊接、光刻、表面改性。 在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬及合金。 加工設(shè)備較復(fù)雜，投資較大。多用于微細(xì)加工,離子束加工,離子束利用力效應(yīng)加工 離子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子，加速較慢，但一旦加速后，具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電子的能量。 質(zhì)量大、動(dòng)能高的離子沖擊工件表面，將產(chǎn)生彈性碰撞，將能量傳遞給工件的原子和分子，使原子和分子產(chǎn)生濺射，被拋出工件表面。 離子束穿透能力強(qiáng)，被加工表層幾乎不產(chǎn)生熱量，不引起機(jī)械應(yīng)力和損傷。,將被加速的離子聚焦成細(xì)束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實(shí)現(xiàn)分子級去除加工。,離子束濺射去除加工,離子束濺射鍍膜加工,用加速的

18、離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。 濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。 由于濺射出來的原子和分子有相當(dāng)大的動(dòng)能，故鍍膜附著力極強(qiáng)（與蒸鍍、電鍍相比）。 離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。,離子束加工特點(diǎn) 是一種以原子、分子為加工單位的加工方法。 加工精度和表面質(zhì)量高，可達(dá)納米級。 可對各種材料進(jìn)行加工。 控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 應(yīng)用廣泛，如：粒子束濺射去除加工、粒子束濺射鍍膜加工、離子束注入加工等。,激光束加工,激光束利用熱效應(yīng)加工 激光光斑大小可聚焦到微米級。 激光束照射工件，光能被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、局部熔

19、化、汽化。 激光束加工是非接觸加工，沒有力的作用，沒有工具，加工速度快。 與電子束和離子束加工比較，激光加工裝置簡單，無需真空系統(tǒng)。,激光束加工特點(diǎn) 加工精度高，激光光斑直徑可達(dá)1m一下。 加工材料范圍廣，可對各種材料進(jìn)行加工。 速度快、效率高。 控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 應(yīng)用廣泛，如：激光打孔、激光切割、激光微調(diào)、激光表面改型、激光存貯、激光測量、激光焊接、激光熱處理等。,三、掃描隧道顯微加工技術(shù),掃描隧道顯微STM (Scanning Tunneling Microscope) 加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最新發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)原子、分子的搬遷、除、增添和排列重組，可實(shí)現(xiàn)極限的精加工，原子級的

20、精加工。,掃描隧道顯微鏡1981年由在IBM瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 發(fā)明。被列為20世紀(jì)80年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,掃描隧道顯微（STM）,STM工作原理：基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。,G.Binning H.Rohrer,掃描隧道顯微加工原理,當(dāng)兩個(gè)電極之間的距離縮短到1nm時(shí)，由于量子力學(xué)中粒子的波動(dòng)性，電流會(huì)在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。用探針在試樣表面掃描時(shí)，可得到表面的納米級三維表面形貌。STM發(fā)明最初是用于測量試樣表面納米級形貌。 當(dāng)掃描隧道顯微鏡的探針對準(zhǔn)試件表面某個(gè)原子并非常接近

21、時(shí)，由于原子間的作用力，探針針尖可以帶動(dòng)該原子隨針尖移動(dòng)，而不脫離試件表面，實(shí)現(xiàn)試件表面原子搬遷。,掃描隧道顯微加工技術(shù),STM的加工精度要比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)高的多。在當(dāng)今高科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，由于各種器件的集成度越來越高，傳統(tǒng)的毫微米加工技術(shù)已經(jīng)接近理論的極限，因此，納米加工技術(shù)的出現(xiàn)無疑給人們帶來了希望。,掃描隧道顯微鏡示意圖,圖 STM工作過程演示,STM,圖 STM實(shí)物照片,關(guān)鍵技術(shù)： （1）STM探針金屬絲經(jīng)化學(xué)腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為10 nm左右。,STM針尖,為解決非導(dǎo)體微觀表面形貌測量，借鑒STM原理，C.Binning 于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。當(dāng)兩原子間距離縮小到 級時(shí)，原子間作用力顯示出來，造成兩原子勢壘高度降低，兩者之間產(chǎn)生吸引力。而當(dāng)兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時(shí)，由于原子間電子云的不相容性，兩者之間又產(chǎn)生排斥力。 AFM兩種測量模式： 接觸式探針針尖與試件表面距離0.5nm，利用原子間的排斥力。由于分辨率高，目前采用較多。其工作原理是：保持探針與被測表面間的原子排斥力一定，探針掃描時(shí)的垂直位移即反映被測表面形貌。 非接觸式探針針尖與試件表面距離為0.51nm，利用原子間的吸引力。,原子力顯微鏡（AFM）,原子力顯微鏡,AFM實(shí)物照片,掃描探針,磁盤圖像,AFM探針被微力彈簧片壓向